碲镉汞长波探测器暗电流优化模拟

李 龙，孙 浩，朱西安

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

HgCdTe具有带隙可调，光吸收系数大，载流子寿命长，电子迁移率高等优点，自1959年提出以来一直都作为制备红外焦平面探测器的首选材料［1］。由HgCdTe材料制备的红外探测器在整个红外波段都具有很高的光子吸收率;而且工作温度较高(77K)，具有很高的探测性能，在过去的五十多年中，HgCdTe红外探测器在气象，地球观测、医疗、通讯、军事等方面均取得了长足的进步［2］。目前已发展到了第三代红外焦平面探测器，器件呈现高集成度、高工作温度、低成本等特点［3－4］。而其暗电流水平是决定探测器性能的关键要素，直接影响到红外系统的目标识别距离和虚警率，必须研究并尽量减小暗电流的影响，因此对HgCdTe红外探测器的暗电流研究具有非常重要的理论和实际意义。

借助于公式算法或者软件进行器件工艺仿真模拟是个不错的方向，国内外有很多利用算法以及软件对 HgCdTe 材料及器件进行仿真模拟［5－12］，取得了不错的效果，极大地节约了金钱和时间成本。本篇文章基于Silvaco半导体仿真软件，针对HgCdTe长波探测器的暗电流进行仿真模拟，建立相应长波器件二维模型，分析了不同器件参量对器件暗电流的影响，并针对重要参量对其器件复合速率，暗电流分布以及载流子分布进行了计算对比，取得了预期的效果。

2 数值模型

利用Devedit交互界面进行器件结构的设计和有限元网格划分，结构简化模型如图1所示。器件为Hg空位形n-on-p器件，P区、N区的Cd组分值x一致，为一同质平面结，x=0.22。器件的电极以及接触孔刻蚀损伤对器件暗电流的影响忽略不计，表面钝化层的影响则以HgCdTe表面态作为边界条件简化，结区分布近似高斯分布，P和N分别代表p区和n区电极。软件显示坐标为对数系坐标，例如 15.5/cm3实际上为 5×1015/cm3，依此类推。

图1 探测器结构简化图

定义好数值模型后，通过改变不同设计、工艺参量，计算暗电流随电压的变化曲线，并求取动态电阻，计算出器件的品质因子R0A，用品质因子作为衡量器件的暗电流水平的标准，研究分析其随参量的变化，确定工艺以及设计参量可以接受的范围，为器件工艺的制备及设计提供参考。

图2 仿真与实际R0A的比较

经过与实际测量的动态电阻曲线比较(如图2所示)，发现仿真结果还是比较贴近实际结果的，特别是R0A，与实际结果相差无几，所以用仿真对其进行研究是可以说明问题的。下面将详细讨论不同参量对器件暗电流的影响。

3 结果及讨论

3.1 载流子寿命

针对n-on-p型器件，p区电子的寿命对器件的性能影响最大，这里近似认为p区电子寿命为器件的载流子的寿命，来研究载流子寿命与暗电流的关系，结果如图3所示。

图3 R0A和载流子寿命的关系

p区电子寿命在10－6s到10－8s之间，品质因子保持在一个较高的水平(15Ω·cm2左右)，在10－8s到10－11s之间品质因子会随着寿命的减小而缓慢下降，当到达10－11s时趋于平缓，所以通过结构设计和工艺控制，要尽量减小缺陷和载流子浓度对寿命的影响，把寿命保持在10－8s以上会使得器件具有一个较好的性能，下面也将具体研究深能级缺陷和p区受主浓度对器件性能的影响。

3.2 深能级缺陷

探测器制备过程中总会不可避免的引入一些杂质或者缺陷，特别是HgCdTe材料，Hg原子非常容易逸出，会在体内形成大量的Hg空位，这些Hg空位非常容易和杂质离子或原子结合，形成深能级中心，增加非平衡载流子的复合率，减小载流子寿命(τSRH)，影响器件性能，假定深能级缺陷位置在禁带中央，R0A和深能级缺陷密度的关系如图4所示。

图4 R0A和缺陷密度的关系

当深能级缺陷密度低于5×1015/cm3，器件有一个较好的品质因子，材料器件工艺要尽量把缺陷密度控制在这个范围之内，当超过这个范围，复合速率会迅速上升，大幅减小载流子寿命。如图5所示，对比了缺陷密度为2×1014/cm3，2×1018/cm3时的复合速率以及暗电流分布，后者的复合速率比前者大了三个数量级，这将产生非常大的产生复合电流，和图中仿真结果一致，后者的暗电流密度远远大于前者，仿真计算得出在工作状态下深能级缺陷密度为2×1018/cm3时的暗电流输出为200 nA，超过了一般目标的光信号以及读出电路的饱和电流，严重影响了器件的工作性能。

图5 不同缺陷密度的复合速率和暗电流分布

3.3 表面态

表面态会引起表面漏电流，这是暗电流的主要来源之一，主要分为表面复合电流以及表面沟道电流，会对器件性能产生严重影响，如图6和图7所示。表面态在1×1010/cm2左右时，器件的暗电流主要集中在结区以及电极附近，主要是产生复合电流以及扩散电流等体内暗电流为主，表面漏电相比之下很小，器件的品质因子保持在一个良好的水平;当表面态到达2×1011/cm2，电极之间开始有轻微的反型沟道，这是表面漏电还是以复合电流为主，当表面态继续增加，沟道会迅速增大，品质因子迅速减小并趋向于0;当到达8×1011/cm2时，沟道完全开启，探测器呈现电阻特性，器件的暗电流基本全部为表面沟道电流，品质因子接近于0，器件性能完全丧失。由图6可以看出表面态小于2×1011/cm2时，器件都会有一个良好的性能。

图7 不同表面态密度的暗电流分布

3.4 p区受主浓度

首先，仿真假定改变p区受主浓度，不会产生任何缺陷，研究暗电流和p区受主浓度的关系:随着浓度的上升，虽然p区电子的寿命下降，但是p区的电子浓度同时也会大幅减小，p区浓度增加会使电子浓度下降，最后经过仿真计算，R0A增加，如图8所示，在器件在p区受主浓度大于2×1016/cm3的情况下能保持一个较好的数值。

图8 R0A和p区受主浓度的关系

但是一方面增加p区受主浓度需要改变退火等工艺条件，这些改动可能会带来不利的影响:如增加激活的杂质浓度，增加Hg空位缺陷等，这些都会导致暗电流上升，使得器件性能变差，而这方面变化是现有仿真无法准确模拟的，只能通过实际工艺来获得;二是有些证据表明，保持一个非常低的电子浓度，会使得器件变得十分不稳定;而且电子的浓度减小，也会使得相应的光信号减小。所以p区的掺杂浓度的选择应该在2×1016/cm3以上，根据具体工艺水平和需求选择合适的浓度。

3.5 p区厚度

p区厚度与品质因子的关系如图9所示，在固定电压下的pn结的电阻可以近似的等效为两个电阻R1、R2的并联结构:以n区厚度为界，R1为电流横向流过pn结的电阻;R2为电流纵向通过pn结，流过p区底部的电阻，如图10所示，可见随着p区厚度的增加，实际上是增加R2横截面积，使得R2减小，减小了器件的并联电阻，暗电流上升，这和文献［9］的仿真结果类似，通过曲线发现，p区厚度最好保持在8 μm以下，考虑到n型注入区的深度不容易控制，过低的p区厚度会造成n区直接导通，但一般的注入区深度不会超过4 μm，所以p区厚度以5～8 μm为宜。

3.6 n区尺寸

品质因子随着n区厚度及宽度的变化趋势如图11所示，等效模型同上，当n区厚度增加，实际上是减小R1，增大R2，两者互相作用，经过仿真:随着n区厚度的增加，动态电阻实际上是成一个波动下降的趋势(图11(a));而增大注入区宽度，则会同时减小R1，R2，品质因子会随着注入区的增大而减小(图11(b))，这也和仿真结果相吻合，但是总体来说这个范围内，n区的尺寸对器件的品质因子影响不大，对于注入区的尺寸设计可以优先考虑其他因素(如MTF，串音等)。

图11 R0A和n区尺寸的关系

4 总结

运用silvaco半导体软件仿真计算了不同参量对暗电流的影响，得出了较好的范围，并对重要参量，针对器件的电流分布，复合速率分布，载流子分布进行了模拟分析，模拟时特别注意了简化模型和实际器件的区别，考虑了实际工艺水平的影响。计算表明R0A是随着载流子寿命的减小而减小;随着深能级缺陷，表面态密度的增加而减小;p区受主浓度增加，p区厚度减小，n区厚度和深度的减小会使R0A增加。实际上要获得较低的暗电流，尽量控制缺陷密度低于5×1015/cm3;表面态密度低于2×1011/cm2;载流子寿命高于10ns;p区受主浓度结合工艺水平控制在2×1016/cm×3以上，p区厚度控制在5～8 μm。n区尺寸对暗电流影响较小，可以优先考虑其他因素。

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